I ricercatori dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno creato una strada a senso unico per gli elettroni che potrebbe sbloccare la capacità dei dispositivi di elaborare dati wireless ad altissima velocità e contemporaneamente raccogliere energia per l'alimentazione. I ricercatori lo hanno fatto modellando il silicio su scala microscopica per creare un imbuto, o "cricchetto, "per gli elettroni.

Questo metodo supera i limiti di velocità delle tecnologie precedenti rimuovendo le interfacce che tendono a rallentare i dispositivi." Questo lavoro è entusiasmante perché potrebbe consentire un futuro in cui cose come gli smartwatch a bassa potenza vengono caricati in modalità wireless dai dati che già ricevono senza mai bisogno di un lasciare il polso di una persona, " ha detto James Custer Jr., uno studente di dottorato all'UNC-Chapel Hill's College of Arts &Sciences.

I risultati sono stati pubblicati il ​​10 aprile sulla rivista Scienza . Custer è l'autore principale. Ha lavorato con i collaboratori delle università Duke e Vanderbilt.

Gli elettroni trasportano corrente elettrica, e in genere non si preoccupano della forma del filo in cui scorre la corrente. Ancora, quando le cose si fanno molto piccole, la forma comincia ad avere importanza. Gli imbuti qui sono ultra-piccoli, più di un milione di volte più piccolo di un tipico cavo elettrico. Di conseguenza, gli elettroni all'interno si comportano come palle da biliardo, rimbalzando liberamente sulle superfici. La forma asimmetrica dell'imbuto fa quindi rimbalzare gli elettroni preferenzialmente in una direzione. In effetti, gli elettroni sono costretti a seguire una strada a senso unico.

Sotto una tensione in corrente continua (CC), l'imbuto rende più facile il flusso di corrente in avanti rispetto alla direzione inversa, creando un diodo elettrico. Quando viene applicata la corrente alternata (AC), la struttura consente ancora alla corrente di fluire solo in una direzione, comportandosi come un cricchetto e causando l'accumulo di elettroni su un lato. Questo processo è come una chiave a bussola, che forza i cricchetti per produrre movimento fisico in una sola direzione.

Il lavoro ha dimostrato che questi cricchetti elettronici creano "diodi geometrici" che funzionano a temperatura ambiente e possono sbloccare capacità senza precedenti nell'illusorio regime dei terahertz.

"I diodi elettrici sono un componente fondamentale dell'elettronica, e i nostri risultati suggeriscono che potrebbe esserci un paradigma completamente diverso per la progettazione di diodi che operano a frequenze molto alte, " ha detto James Cahoon, un professore associato di chimica. Cahoon è l'autore corrispondente e ha guidato il gruppo di ricerca dello studio. "I risultati sono possibili perché facciamo crescere le strutture dal basso, utilizzando un processo sintetico che produce geometricamente precisi, materiali monocristallini."

I cricchetti elettronici sono creati da un processo precedentemente sviluppato nel gruppo Cahoon chiamato ENGRAVE, che sta per "Encoded Nanowire Growth and Appearance through VLS and Etching". ENGRAVE utilizza un processo vapore-liquido-solido per far crescere chimicamente cilindri monocristallini di silicio, chiamati nanofili, con geometria definita con precisione.

"Molto del lavoro in questo campo è stato precedentemente svolto con materiali costosi a temperature criogeniche, ma il nostro lavoro evidenzia che i diodi geometrici realizzati con silicio relativamente economico possono funzionare a temperatura ambiente, che all'inizio ci ha anche sorpreso, " ha detto Custer. "Speriamo che i nostri risultati suscitino un'ondata di interesse per i diodi geometrici".

I diodi sono la spina dorsale di tutta la tecnologia; consentono ai computer di elaborare i dati codificando i segnali come 1 e 0. Tradizionalmente, i diodi richiedono interfacce tra i materiali, come tra semiconduttori di tipo n e di tipo p o tra semiconduttori e metalli. Al contrario, i diodi geometrici sono fatti di un unico materiale e usano semplicemente la forma per dirigere le cariche preferenzialmente in una direzione.

Con il continuo sviluppo, i cricchetti elettronici a nanofili promettono di aprire un'alta velocità, strada a senso unico verso le nuove tecnologie.